中南大学矿冶场地生态修复创新团队CEJ：综合地球物理与水文分析揭示废弃冶炼场地重金属污染迁移机制

图文摘要

成果简介

近日，中南大学矿冶场地生态修复创新团队在环境领域著名学术期刊 Chemical Engineering Journal 上发表了题为 “ Unveiling heavy metal(loid) contamination and migration at an abandoned smelting site: Integrated geophysical and hydrological analyse ” 的研究论文。本文采用地球物理和水文分析等技术对中南某废弃冶炼场地重金属污染特征进行研究，从空间尺度上直观展示了重金属的分布情况，识别了污染热点区域，分析了地下水复杂水化学条件，并利用 GPR 和 ERT 推断地层结构，获取水文地质特征，为制定有效的污染防控措施和修复策略提供科学支撑 。

重金属污染不仅严重影响土壤质量，还能通过地球化学作用渗透到地下水，对人类健康和生态环境构成潜在威胁。本研究选取中南某典型废弃铅锌冶炼场地，结合实地调查和地球勘探采集数据，分析土壤重金属污染特征，明确冶炼场地地下水水化学特征和潜在污染源；通过地球物理探测技术获取地层结构图像，反演水文地质特征，分析水文地质条件对重金属迁移和扩散的影响，探讨重金属迁移机制 。

图文导读

冶炼场地重金属污染的垂向分布

Fig. 1. Vertical distribution of heavy metal(loid)s study area.

使用 ArcGIS 来演示使用反距离加权法的重金属污染的分布（图 1 ）。研究区四种重金属的空间分布具有差异性， As 和 Pb 的高值区呈现点状和小面积的分布，表明这两种重金属含量的空间连续性较差，而 Zn 和 Cd 高值区的分布呈现块状，含量分布的空间连续性较强。这可能是受到人为生产活动的干扰。研究区域重金属污染呈现随着土层深度的增加而逐步减轻的趋势，这是由于长期的冶炼活动会产生大量的重金属，表层土壤作为重金属的直接受体，污染程度最重，而重金属在向下迁移的过程中受黏土矿物、土壤质地、微生物等因素的阻碍 。

浅层地下水水化学特征

Fig. 2. Piper plot of groundwater samples from the study area.

优势阳离子为 Ca ²⁺ ，其次为 Na ⁺ +K ⁺ ，阴离子主要分布在 SO ₄ ^2- 端元， SO ₄ -Ca 型和混合型是研究区的主要地球化学相（图 2 ）。地下水一般以 HCO ₃ -Ca · Mg 型为主，而人为活动干扰时，水体中 Na ⁺ 、 Cl ^- 和 SO ₄ ^2- 占比会随之升高，研究区域具有较高的具有较高的 N( SO ₄ ^2- )/ N (Ca ²⁺ ) 值，说明该地区受工业活动影响较大，这与该地区之前从事冶炼活动有关 。

地球物理勘探水文地质条件

Fig. 3. (a) Calibrated model between Kr and SWC, (b) Regression analysis of the measured SWC and the predicted SWC, (c) Regression analysis of the measured Ks and the predicted Ks, (d) 3D visualization models of SWC using the SWC-Kr relationship, (e) 3D visualization models of Ks using the electrical resistivity-Ks relationship.

土壤含水量（ SWC ）与介电常数（ Kr ）之间存在显著相关性（ R ² =0.90 ）（图 3a ），土壤介电常数会随着 SWC 的增加而提高，当 SWC 达到一定值时，其对 Kr 的影响更为显著。为评估利用 Kr 预测 SWC 的准确性和可行性，对实测值和基于 Kr 反演计算的 SWC 进行了比较（图 3b ）。结果显示，计算值与实测值之间具有较高的精确度（ RMSE=3.81% ），尽管在较低含水量时有所高估，在较高含水量时有所低估，但总体上两者接近 y=x 线。 SWC-3D 预测模型显示，大部分区域表层 SWC 较小，随着土壤深度的增加而变大（图 3d ）。然而在某些区域表层 SWC 较大，这可能是由于除土壤类型外，土壤渗透性（ Ks ）对 SWC 也有显著影响。 Ks -3D 模型显示高 Ks 区主要位于西北区，与低 SWC 区相对应，表明 Ks 与 SWC 之间存在显著相关性（图 3e ）。同时表层土壤中的 Ks 分布极不均匀，反映了水文地质条件的非均质性 。

土壤 - 地下水重金属污染羽

Fig. 4. Contamination plume distributions of heavy metal(loid)s in soil-groundwater system.

土壤重金属污染主要集中在西北部，呈现“斑片状聚集”，聚集在表层，但也呈现出向下迁移的趋势（图 4 ）。结合图 1 、图 3 （ d-e ）可知，重金属向下迁移的区域与高 SWC 、 Ks 的区域相应，这是由于高的 SWC 和 Ks 可以促进重金属的渗透和迁移。此外含水层重金属污染羽与土壤污染区和地下水流向密切相关。特别是 Cd ，在竞争吸附和配体解吸的作用下，在地下环境中具有极强得流动性，在模型中也呈现出广泛的扩散，地下水流向的影响也更为明显。地下水中高浓度 Pb 与 Zn 的分布与 Cd 相似，受水流影响较大。然而地下水中 As 受水流影响较小，污染区位于土壤 As 污染正下方，这是由于土壤 - 地下水系统中的铁氧化物、锰氧化物等会吸附固定 As。